换能器技术概述
换能器技术概述
第32页/共33页
感谢您的观看。
第33页/共33页
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。 主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验
第11页/共33页
◆ 圆管换能器
压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。
各种压电陶瓷圆管
第12页/共33页
镶拼圆管
非溢流圆管换能器
第8页/共33页
复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
第9页/共33页
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
第10页/共33页
稀土IV弯张换能器
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
第7页/共33页
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
SL=170.8+10logPa+DI b.直接决定声信号传播距离和回波信号强度
声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀
第29页/共33页
声呐换能器通
声呐换能器通
声呐换能器是一种在声呐系统中实现声能与其他形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。
它具有两个主要用途：发射声波和水下接收声波。
发射换能器可以将电能或机械能转换为声波，而接收换能器则将水中的声波转换为电能或机械能，以便后续的信号处理和声呐数据的生成。
在实际应用中，声呐换能器通常同时承担发射和接收声波的任务，这使得它们能够有效地进行水下探测和目标定位。
由于水下声波的传播特性，声呐换能器在军事、海洋科学研究、水下考古等领域得到了广泛的应用。
声呐换能器的工作原理主要是基于某些材料的压电效应或磁致伸缩效应。
当电场或磁场作用于这些材料时，它们会伸长或缩短，从而产生声波或改变声波的相位。
通过精确控制电场或磁场，可以生成特定频率和波束形状的声波，实现声呐的定向探测和信号处理。
总之，声呐换能器是声呐系统中的核心器件，它能够实现声能与其他形式能量的相互转换，为水下探测和定位提供关键的技术支持。
超声波换能器工作原理
超声波换能器工作原理超声波换能器是一种将电能转换为超声波能的装置，它在医疗、清洗、焊接等领域都有着广泛的应用。
其工作原理主要涉及到压电效应和超声波传播两个方面。
首先，压电效应是超声波换能器能够将电能转换为超声波能的基础。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会发生电荷分布不均，从而产生电压的现象。
这种晶体被称为压电晶体，它们在外加电压的作用下会产生形变，并且在形变的同时会发出超声波。
这种现象被称为压电效应，利用这种效应可以将电能转换为超声波能。
其次，超声波传播是超声波换能器工作的另一个重要原理。
一旦压电晶体产生超声波，这些超声波会通过传导介质（如水、空气等）传播出去。
超声波是一种机械波，它的传播是通过介质分子之间的振动传递能量。
当超声波传播到需要作用的对象上时，它会产生一系列的物理效应，比如在清洗领域可以产生高效的清洗效果，在医疗领域可以产生热效应用于治疗等。
总的来说，超声波换能器的工作原理是通过压电效应将电能转换为超声波能，然后通过超声波传播将超声波能传递到需要作用的对象上。
这种原理使得超声波换能器在多个领域都有着广泛的应用，其工作原理的深入理解也为超声波技术的发展提供了重要的理论基础。
在实际应用中，超声波换能器的工作原理还涉及到频率、功率、声压等参数的控制，以及超声波在传播过程中的衰减、反射、折射等现象。
对于超声波换能器的设计、优化和应用都需要对其工作原理有着深入的理解和研究。
总之，超声波换能器是一种将电能转换为超声波能的装置，其工作原理涉及到压电效应和超声波传播两个方面。
通过对其工作原理的深入理解，可以更好地应用超声波技术，并且为其在医疗、清洗、焊接等领域的进一步发展提供理论支持。
压电换能器的主要技术参数(V2.2)
上海谐鸣超声设备有限公司谐鸣超声技术支持：电话013681952953（王工）、QQ 2564620565 1压电换能器的主要技术参数压电（超声）换能器的技术参数较多，大致有以下一些：1、灵敏度：指换能器转化能量的效率，高灵敏度表示高的转化效率；2、谐振（工作）频率：指换能器谐振时的频率，谐振时，换能器灵敏度趋于最高，该参数和系统紧密相关；3、指向性：指换能器辐射面各方向角度发射或接收信号的强度变化，一般测试换能器主声轴的一个平行截面，测距、定位、成像时需考虑该指标；4、盲区（余振）：指换能器余振或拖尾的严重程度，即驱动信号结束后，换能器自身惯性振动持续的时间，测距成像类换能器需检测该指标；5、耐温性：指换能器能正常工作的高低温极限；6、耐压力性：指换能器能正常工作的高低压力极限；7、电参数：指换能器本身的阻抗（导纳）、容值、感值等，和系统匹配相关；8、振幅：指换能器在固定驱动电压下的振动幅度，和灵敏度基本类似，利用换能器的动能时需参考该指标；9、电压极限：指换能器可加的最大电压值，大功率超声系统特别需考虑该指标，电压长期超过该值易引起压电陶瓷的退极化；10、密封性：指换能器在液体中的密封性，水下换能器需考虑该指标；11、耐腐蚀性：指换能器对腐蚀性环境抵抗能力，腐蚀性环境下应用需考虑该指标；12、带宽：指换能器灵敏度的平坦程度，或对不同频率信号的兼容程度；13、其他：如重量、体积、外形尺寸、外壳材料、信号引出方式、换能器安装接口类型等。
以上罗列的是换能器主要指标参数，不同的仪器设备、不同的应用环境和场合要求不太一样，有一定的选择性，并不是指标越多、要求越高越好，如有的场合要求指向性越尖越好，而有的场合又希望指向性的开角大些好。
此外，每增加一项考核指标，都会同时增加换能器制造者、使用者的工作量和成本，部分指标会导致换能器制造工作量和成本成倍的增加，这没有必要，只有选择和系统或使用场合相应的指标参数才是合理有效的。
超声换能器概念
超声换能器是一种能够将电能转换成机械能或反之的装置，它是超声成像和超声检测技术中的核心部件。
超声换能器通常由压电陶瓷材料制成，这种材料具有压电效应，即在施加电场的作用下会产生形变，反之，当材料受到机械力的作用时也会产生电荷分布，这种效应可以用来实现超声波的产生和传播。
超声换能器一般由一个压电陶瓷晶片和一个金属电极组成。
在晶片的两端加上交变电压时，晶片就会产生机械振动，这种振动可以通过机械结构传递到待加工的材料中，从而实现加工的目的。
同时，超声波也可以通过晶片的振动传播到待检测的材料中，通过检测超声波的传播和反射情况，可以获得材料的声学特性和结构信息。
超声换能器具有频率高、能量密度大、加工速度快、加工精度高等优点，广泛应用于医学、材料科学、机械制造等领域。
超声波换能器原理
超声波换能器原理
超声波换能器是一种将电能转换为机械振动能的装置，它是超声波技术的核心部件之一。
超声波换能器的原理是利用压电效应，将电能转换为机械振动能，从而产生超声波。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时，会产生电荷分布的不均匀，从而产生电势差。
反过来，当电场作用于这些晶体时，会使其发生形变。
这种晶体就是压电晶体，如石英、锆钛酸铅等。
超声波换能器通常由压电晶体和金属质量块组成。
当外加电压作用于压电晶体时，它会发生形变，从而使金属质量块也发生振动。
这种振动会产生超声波，其频率与电压的频率相同。
超声波换能器的工作原理可以用以下公式表示：
f = n × v / 2d
其中，f为超声波的频率，n为振动模式数，v为压电晶体的声速，d为压电晶体的厚度。
超声波换能器的应用十分广泛，如医学、工业、军事等领域。
在医学领域，超声波换能器被用于超声诊断、超声治疗等方面。
在工业领域，超声波换能器被用于清洗、焊接、切割等方面。
在军事领域，超声波换能器被用于声纳、水下通信等方面。
超声波换能器是一种将电能转换为机械振动能的装置，其原理是利用压电效应产生超声波。
它的应用十分广泛，是超声波技术的核心部件之一。
含硅基换能器的其他多元件集成电路
主题：含硅基换能器的其他多元件集成电路1. 概述含硅基换能器的其他多元件集成电路是一种新型集成电路技术，它结合了硅基换能器和其他多种元件，能够在电子设备中实现更高效、更稳定的性能。
本文将深入探讨含硅基换能器的其他多元件集成电路的原理、应用和未来发展趋势。
2. 含硅基换能器的原理含硅基换能器是一种将电能转换为其他形式能量的器件，它通常由硅基材料制成，能够实现电能和光能、热能等形式之间的相互转换。
在含硅基换能器的其他多元件集成电路中，硅基换能器作为核心元件，与其他多种元件相结合，实现了多种能量的高效转换。
3. 应用领域含硅基换能器的其他多元件集成电路在电子设备中有着广泛的应用。
它可以应用于太阳能电池板、光电器件、热电器件等多种领域，为电子设备提供稳定、高效的能源转换功能。
含硅基换能器的其他多元件集成电路还可以应用于无线充电、能量回收等领域，为智能设备提供更加便捷、高效的能源支持。
4. 技术优势相比传统的集成电路技术，含硅基换能器的其他多元件集成电路具有更高的能量转换效率和稳定性。
由于其采用了硅基材料和先进的集成电路工艺，能够在不同环境条件下实现可靠的能量转换功能。
含硅基换能器的其他多元件集成电路还具有体积小、重量轻、成本低等优点，能够满足现代电子设备对轻便、高效能源支持的需求。
5. 发展趋势含硅基换能器的其他多元件集成电路作为一种新型集成电路技术，有着广阔的发展前景。
随着智能设备市场的不断扩大，对高效能源支持的需求日益增长，这种新型集成电路技术将会得到更多的应用。
在未来，含硅基换能器的其他多元件集成电路将会不断进化，实现更高的能量转换效率和更广泛的应用范围，为电子设备的发展提供强大的动力支持。
6. 结语含硅基换能器的其他多元件集成电路是一种具有巨大潜力的集成电路技术，它能够为电子设备提供稳定、高效的能源支持。
随着技术的不断进步和应用范围的拓展，相信这种新型集成电路技术将会在未来发挥更加重要的作用，推动电子设备的发展迈向更加智能化、高效化的方向。
电容式微机械超声波换能器
电容式微机械超声波换能器
电容式微机械超声波换能器是一种利用微机械技术和电容原理将电能转换成机械振动，产生超声波的一种装置。
它具有小尺寸、高频响、高灵敏度和高效率等优点，被广泛应用于医学、物理学、材料科学、无损检测等领域。
电容式微机械超声波换能器主要由振子、压电换能器和电路板组成。
其工作原理是利用压电效应将电信号转换成机械振动，再利用振子的自振频率将机械振动转换成超声波信号。
电路板则负责控制信号的频率和幅度，从而实现对超声波信号的调节。
与传统的声波换能器相比，电容式微机械超声波换能器具有更高的灵敏度和更低的功耗。
其尺寸小，能够在狭窄的空间内工作，因此可以被广泛地应用于微型化产品的设计中。
此外，其高效率和高频响性能使它成为物理学实验、无损检测和医学诊断中必不可少的装置。
不过，电容式微机械超声波换能器也存在着一些不足之处。
例如，其制作技术较为复杂，成本相对较高。
同时，由于其振子的自振频率较高，对信号的稳定性和噪声抑制有一定的要求，因此在实际应用中需要做出一定的改进和优化。
总的来说，电容式微机械超声波换能器在最新的微机械技术和电容原理的基础上发展而来，具有许多优点和应用价值。
未来随着技术的不断进步，它将在新的应用领域得到更广泛的应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
能量转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。
2.换能器如何实现换能
换能材料，也叫功能材料、有源材料——受交变电场/磁场激励产
生伸缩应变
正向压电效应
各种工艺（预应力施加、粘接、灌封、装配等）在换能器 制作中是关键一环。某种意义上，“做换能器是个手艺活 儿。”
SL=170.8+10logPa+DI
b.直接决定声信号传播距离和回波信号强度 声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀
（4）发射电压响应级（ Transmitting Voltage Response,单位：dB） a.体现换能器自身的声辐射潜力 b.计算公式： TVR=20log(P.d/V)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dB
fr
1 2
1 M a Ca
利用液腔谐振，实现小体积、低频发射 液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔谐振等）一起使用，可实 现宽带 溢流结构，几乎不受工作深度限制 工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的Helmholtz腔体结构
Multiport Helmhotz transducer
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
有限元分析软件 科学计算软件 工程制图软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 Matlab等，进行数值运计算。 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制 的甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz
◆ 其他换能器结构
开缝圆管换能器
空气动力型换能器
组合式换能器
当今水声换能器朝着低频、大功率、宽带、小体积、高耐静水压方向 发展，实现低频宽带的机理和结构成为人们探求的热点。 实现宽带的机理：利用多模态耦合、改善激励方式、增加匹配层等 实现低频的结构：利用低频模态、利用液腔谐振、采用电动（磁）式等。
描述水声换能器电声性能的主要参数
（1）电导纳（单位：西门子，常用ms） a.从电导纳曲线图上可立即判断换能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂 b.希望电导值越大越好（输入换能器端的电功率P=V² .G） c.依据电纳曲线设计同功放匹配的电路 d.通过阻抗分析仪测量
正常情况下换能器典型电导纳曲线
陶瓷碎裂时典型电导曲线
（2）声功率（单位：w） a.体现换能器系统（含功放、匹配电路）的声辐射能力，Pa=1/2.Rs.U² b.据此可计算换能器的电声效率：η=Pa/Pe
（3）声源级（单位：dB）
a. 使得不同种类的换能器有了统一的比较标准， b. 与声功率的关系： SL = 10 log(I / Io) = 10 log([Pa/A] / Io)
◆有限元法
有限元法是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分析模型想 象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将单元内部点的状态用 单元节点状态的插值函数来近似描述，这样就将实际的物理问题转化 为求解单元节点状态的代数方程组问题。
两款常用的设计换能器有限元软件
指向性圆管换能器有限元模型
弯张换能器1/8有限元模型
UW600 SL:（max）188dB
频带：20Hz-20kHz
重量：100kg 耐压：188m
频带：4Hz-20kHz
重量：1070kg 耐压：200m
性能指标及结构特点 ◆ 工作频带： 5Hz- 1kHz ◆ 声源级：160dB ◆ 工作深度：0-50米 ◆ 结构尺寸： 外径 ø206mm， 高度580mm ◆ 重量： 25kg ◆ 耐海水腐蚀金属涂 层(盐雾试验可以达到 800小时)
3 2. 中频基阵 6. 都卜勒测速仪基阵 9. 测深（防碰）基阵
9
6 3. 舷侧阵 7. 被动测距基阵 10. 拖曳线列阵
2 4. 侦察阵
水声换能器基阵在潜艇上应用实例
4.水声换能器的分类
发射换能器（transducer/projector）
A. 按照工作方式分 接收换能器（水听器，hydrophone）
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器 特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。
六元弯张换能器线阵
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
3.换能器为什么要成阵
为实现或增强某些电声性能（指向性、作用距离），将多个换能器按
一定规律和形状排列起来，形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。
按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、线阵、共形阵
平面阵
圆柱阵
球形阵
拖曳线列阵
共形阵
10
9
4
8
9
4
9
5
1
7 1. 艇艏圆柱阵（收、发共用） 5. 声速梯度仪基阵 8. 鱼雷报警基阵
绪论——水声换能器分类、应用及分析设计方法 桑 永 杰
为什么要学习认识换能器？
主动声呐方程：（混响背景） （SL-2TL+TS）-RL＝DT
SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。 提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号 强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。
1.什么叫换能器
c.与声源级的关系：
SL=20log(V)+TVR d.显示换能器的工作带宽,进行结构优化的依据 （5）发射/接收指向性 反映换能器辐射能量的集中程度， 发射和接受指向性互易
换能器交付使用时应给出的测量参数
水声换能器设计制作流程
依据要求的电声指标确定换能器的类型 利用有限元、等效电路法等方法确定各部分尺寸 构画结构图纸，交付加工零部件 设计合理的预应力施加工艺、装配工艺进行装配 做聚氨酯灌封等密封处理 测试换能器的电声性能
镍
压电单晶
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料
（Terfenol-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用 换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上， 达到了1.7％
不同类型换能器性能对比
类型
复合棒换能器 弯张换能器
工作频率
5kHz-100kHz 200Hz-5kHz
带宽
1-2个倍频程 不易形成宽带
声源级
高 较高
指向性
好 低频基本无指向性
圆管换能器
Helmholtz换能器 电动式换能器
1kHz-100kHz
200Hz-1kHz 5Hz-10kHz
1个倍频程
1个倍频程 超宽带
较高
高 低
水平无指向性
低频基本无指向性 基本无指向性
水声换能器的分析设计方法
◆等效电路法
将换能器看为做机械振动的弹性体，利用机电类比，给出换能 器的动态电路图。由电路图计算出换能器的电声性能。
换能器等效电路图
压电陶瓷的径向及厚度振动
压电陶瓷圆管的径向振动
优点：物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关。 缺点：通常只能做一维分析，仅适合于简单结构的换能器。
Janus Helmhotz transducer
◆ 电动式换能器
输出力：F=BIL
电动式换能器的优点：
(1)频率低，可做到几赫兹
(2)非谐振结构，易实现宽带 (2)体积小、重量轻
电动式换能器的缺点：
(1)效率低，通常不足1%，声源级低 (2)波形差，易受工作环境影响 (2)工作深度不足
UW350 SL:平均165dB
几种常见发射换能器
几种常见水听器
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩 1940s，较 强压电性能
1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换 能器
其他：压电聚合物（PVDF)、
压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比；
预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出；
前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
复合棒换能器实物照片及分解图
主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验
◆ 圆管换能器
压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。
各种压电陶瓷圆管
镶拼圆管
非ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ流圆管换能器
溢流圆管换能器
特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。